Gli scienziati della collaborazione ATLAS all'LHC hanno trovato prove della diffusione luce per luce, in cui due fotoni interagiscono e cambiano la loro traiettoria. Ricercatori di DESY, la Johannes Gutenberg University Mainz e l'AGH University of Science and Technology di Cracovia hanno eseguito lo studio.

"Secondo l'elettrodinamica classica, fasci di luce si incrociano senza disperdersi. Ma se prendiamo in considerazione la fisica quantistica, la luce può essere dispersa dalla luce, anche se questo fenomeno sembra molto improbabile", spiega Mateusz Dyndal, uno scienziato DESY che ha svolto un ruolo importante nell'analisi dei dati. Una delle previsioni più antiche dell'elettrodinamica quantistica afferma che i fotoni, le particelle portatrici della forza elettromagnetica, possono interagire e disperdersi l'uno dall'altro. Questo processo è stato testato in diversi ambienti, ma un'osservazione diretta della diffusione luce per luce non è stata precedentemente ottenuta.

Nel 2012, i fisici hanno proposto che la diffusione luce per luce potesse essere osservata nelle collisioni all'LHC. I protoni accelerati quasi alla velocità della luce producono un campo elettromagnetico molto forte. Il campo generato è ancora più forte quando vengono utilizzati ioni di piombo anziché protoni. Quando due di questi ioni si incrociano in una cosiddetta collisione ultraperiferica, due fotoni possono disperdersi l'un l'altro mentre gli ioni stessi rimangono intatti. Gli scienziati osservano quindi due fotoni a bassa energia con proprietà cinematiche specifiche e nessuna attività aggiuntiva nel rivelatore. Sulla base dei dati raccolti nel 2015 presso l'LHC, i fisici dell'esperimento ATLAS hanno condotto una ricerca sulla diffusione luce per luce e hanno trovato prove di 4,4σ per il fenomeno. Il valore descrive la significatività statistica di un risultato scientifico. I fisici di solito parlano di "scoperta" se trovano un risultato 5σ e chiamano un risultato 3σ "prova" per qualcosa di nuovo. La diffusione luce per luce ha una sezione trasversale molto piccola, il che significa che succede molto raramente. Così in quattro miliardi di eventi analizzati, sono stati osservati solo 13 candidati per tali eventi difotonici.

Poiché gli scienziati hanno osservato solo pochi eventi attribuiti alla diffusione luce per luce, l'accuratezza statistica dei loro risultati è limitata. Quando inizierà la prossima corsa all'LHC (fine 2018), sperano di raccogliere più dati per testare questo fenomeno in modo più preciso. Ulteriori studi potrebbero anche fornire un'ulteriore finestra sulla nuova fisica all'LHC. "Forse possiamo trovare prove per la fisica oltre il modello standard della fisica delle particelle, per esempio particelle simili ad assioni che sono un possibile candidato per la materia oscura. Diversi concetti teorici prevedono che la diffusione luce per luce può essere sensibile a tali particelle", dice Dyndal.